Мысленный эксперимент — это система мысленных процедур, проводимых над идеализированными объектами.
Построение абстрактных объектов как теоретических образов реальной действительности и оперирование ими с целью изучения существенных характеристик реального объекта познания составляют основную задачу мысленного эксперимента.
В процессе мысленного эксперимента осуществляется перекомпоновка идеализированных образов исследуемого объекта, проработка их в реальных и нереальных ситуациях. Поэтому мысленный эксперимент практически ничего общего не имеет с экспериментом эмпирического познания. За исключением того, что и тот и другой начинается с продумывания практически осуществимых операций.
До Галилея бытовало мнение, что движущееся тело останавливается, как только сила, толкающая его, прекращает свое действие. Опровергнуть это положение позволил мысленный эксперимент с тележкой, на пути которой устранены все виды трения. Идеализированный объект «тележки», однажды получив толчок, обретает способность двигаться вечно. Практически такой эксперимент не может быть осуществлен, но осуществление мысленного эксперимента позволило определить основания механики движения.
В современном естествознании мысленный эксперимент стал одним из основных средств интерпретации нового теоретического знания.